УДК 628.16: 628.166: 628.31

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА СТОЧНЫЕ ВОДЫ

Соснин Эдуард Анатольевич1, Липатов Евгений Игоревич2, Скакун Виктор Семенович3, Панарин Виктор Александрович4, Тарасенко Виктор Федотович5, Жданова Оксана Сергеевна6, Гольцова Полина Андреевна7
1Институт сильноточной электроники СО РАН, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптических излучений; Национальный исследовательский Томский государственный университет, профессор кафедры управления инновациями
2Институт сильноточной электроники СО РАН, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории оптических излучений
3Институт сильноточной электроники СО РАН, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптических излучений
4Институт сильноточной электроники СО РАН, инженер лаборатории оптических излучений
5Институт сильноточной электроники СО РАН, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией оптических излучений
6Сибирский государственный медицинский университет, кандидат медицинских наук, старший преподаватель кафедры микробиологии и вирусологии
7Институт сильноточной электроники СО РАН, техник лаборатории оптических излучений; Национальный исследовательский Томский государственный университет, магистрант факультета инновационных технологий

Аннотация
Актуальность настоящего исследования состоит в необходимости обеспечения качества воды и поиске новых способов очистки сточных вод. Цель работы: исследование действия ультрафиолетового излучения и ультразвуковых колебаний на микроорганизмы в сточных водах. Методы исследования. Стандартные методы микробиологического анализа, регламентируемые СанПиН 2.1.5.980-00 и МУК 4.2.1884-04. Результаты. Сравнительный анализ действия излучения эксиламп и ультразвука выявил, что максимальная степень инактивации соответствует одновременному облучению XeBr- и KrCl-эксилампами, а ультразвуковая обработка, напротив, приводит к росту количества патогенных микроорганизмов. По отношению к бактериям рода Proteus в условиях эксперимента выявлена эффективность ультрафиолетового облучения эксилампами и неэффективность ультразвуковой обработки. Рекомендуется использовать эти факты при проектировании маломощных установок по очистке воды и/или при обработке вод, содержащих крупные фракции органических веществ.

Ключевые слова: бактерии, качество воды, обеззараживание воды, сточная вода, ультразвук, ультрафиолетовое излучение


THE ACTION OF ULTRAVIOLET RADIATION AND ULTRASONIC WAVES ON SEWERAGE

Sosnin Edward Anatolevich1, Lipatov Evgeniy Igorevich2, Skakun Viktor Semenovich3, Panarin Victor Aleksandrovich4, Tarasenko Victor Fedotovich5, Zhdanova Oksana Sergeevna6, Goltsova Polina Andreevna7
1Institute of high current electronics SB RAS, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Senior researcher of the laboratory of optical radiation; National Research Tomsk State University Professor of the Department of Innovation Management
2Institute of high current electronics SB RAS, Candidate of physico-mathematical Sciences, Junior researcher of the laboratory of optical radiation
3Institute of high current electronics SB RAS, Candidate of physico-mathematical Sciences, Senior researcher of the laboratory of optical radiation
4Institute of high current electronics SB RAS, Engineer of the laboratory of optical radiation
5Institute of high current electronics SB RAS, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Head of the laboratory of optical radiation
6Siberian state medical University, Candidate of Medicine Science, Senior lecturer of the Department of Microbiology and Virology
7Institute of High Current Electronics SB RAS, Technician of the laboratory of optical radiation; National Research Tomsk State University, master student of the faculty of innovative technologies

Abstract
The relevance of this study is the need to ensure water quality and finding new ways of wastewater treatment. Objective. To study the action of ultraviolet radiation and ultrasonic vibrations on the microorganisms in the wastewater. Research methods. Standard methods of microbiological analysis, regulated SanPiN 2.1.5.980-00 and ICB 4.2.1884-04. Results. Comparative analysis of the effects of radiation and ultrasound excilamps revealed that corresponds to the maximum degree of inactivation and simultaneous irradiation XeBr- KrCl-excilamps and ultrasonic treatment, in contrast, leads to the growth of pathogens. In relation to the bacteria of the genus Proteus in the experiment revealed the effectiveness of ultraviolet irradiation excilamps and inefficiency of ultrasonic processing. It is recommended to use these facts in the design of low-power water treatment plants and / or treatment with water containing the major fraction of organic substances.

Keywords: bacteria, disinfection of water, sewerage, ultrasonic, ultraviolet radiation, water quality


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Соснин Э.А., Липатов Е.И., Скакун В.С., Панарин В.А., Тарасенко В.Ф., Жданова О.С., Гольцова П.А. Действие ультрафиолетового излучения и ультразвуковых колебаний на сточные воды // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/03/65016 (дата обращения: 20.11.2016).

Введение

Качество сточных вод не всегда соответствует требуемым и регламентируемым нормам допустимой загрязненности. Часто происходит сброс непригодной воды, отходов в сточные воды. В связи с этим требования, предъявляемые к воде, растут [1-3]. Но в последние годы активно модернизируются и исследуются методы, устройства для очистки и дезинфекции сточных вод. Одним из популярных и действенных способов обеззараживания воды является ультрафиолетовое облучение (УФО).

Действие УФ-излучения может быть как активирующим рост микроорганизма, так и инактивирующим, вплоть до полного подавления их жизнеспособности. Для инактивации чаще всего используются коротковолновое УФ-излучение, которое, как известно, максимально поглощается молекулами ДНК. Это ведёт к появлению различных дефектов ДНК (например, к гидратации оснований ДНК), что в свою очередь препятствует её репликации, замедляет и ограничивает рост микроорганизмов. Среди источников УФ-излучения широко известными являются ртутные лампы высокого и низкого давления в связи с тем, что спектр их излучения перекрывается со спектрами инактивирующего действия излучения на ДНК [4, 5].

Однако сегодня признано, что ртутные лампы перестали соответствовать экологическим стандартам [6]. Кроме того, утилизация ртутных ламп является дорогостоящей процедурой. Поэтому в странах ЕС происходит осознанный поиск альтернативных источников УФ-излучения, не содержащих ртути. Наши исследования 2003-2015 гг. показали, что в качестве таких источников можно использовать эксилампы. Слово «эксилампа» является обобщающим названием класса устройств, излучающих спонтанное ультрафиолетовое (УФ) и/или вакуумное ультрафиолетовое (ВУФ) излучение эксимерных и эксиплексных молекул. Спектры длин волн ряда эксиламп лежат в т.н. бактерицидном диапазоне. В частности, типичные спектры XeBr- и KrCl-эксиламп барьерного разряда представляют собой интенсивные полосы излучения с максимумами на длинах волн 282 и 222 нм, соответственно, и имеют полуширину полосы порядка нескольких нм [7].

До сих пор объектом микробиологических исследований с применением эксиламп были загрязненные в лабораторных условиях поверхности, газы и жидкости. В настоящей работе указанные эксилампы были использованы для изучения влияния УФ-излучения на микроорганизмы при обеззараживании сточных вод, взятых со станции водоочистки. Кроме того, дополнительным фактором воздействия было ультразвуковая обработка (УЗО).

Материалы и методы

Важными микробиологическими показателями качества воды являются: общее количество колониеобразующих единиц (КОЕ), а конкретно – количество колиморфных бактерий (ОКБ) и количество термотолерантных колиморфных бактерий (ТКБ). Общие колиморфные бактерии – это разновидности кишечной палочки, грамотрицательные бактерии, не способные к спорообразованию, но способные воспроизводить альдегид на различных лактозных средах, ферментирующие лактозу с образованием кислоты и газа при температуре 37° С в течение 24-48 ч. Термотолерантным колиморфным бактериям присущи все признаки общих колиморфных бактерий, но кислоту и газ образуют при температуре 44° С в течение только 24 ч. Они же являются показателем наличия или попадания в воду фекального загрязнения [8].

При использовании для обеззараживания сточных вод ртутными лампами низкого давления проводились как лабораторные исследования, так и полевые, в т.ч. для выявления условий, в которых можно отказаться от всех прочих способов очистки воды (хлорирование, озонирование и т.д.) [9-14]. Но даже тщательное соблюдение санитарных, гигиенических и технологических норм регламента обработки ртутными лампами не дают гарантий того, что разработка сможет перейти в масштабное производство и функционировать длительное время в связи с тем, что многие страны Европейского Союза сейчас занимаются снятием с производства ламп, содержащих ртуть [15].

Использование УЗО также применяется сегодня, но данный фактор воздействия даёт неоднозначные результаты. Так, в литературе указывается, что несмотря на большие затраты энергии, длительное время воздействия, ультразвук не всегда оказывает инактивирующее воздействие на бактерии. А при определенных параметрах он даже стимулирует рост бактерий. Поэтому процесс УЗО воды в большинстве случае предполагает использование ультразвука в сочетании с другими методами и средствами для достижения наибольшего эффекта. В частности, корректируют частоты и мощность ультразвуковых волн, сочетают УЗО и/или УФО, и/или химические окислители органических веществ. Т.е. ультразвук является дополнением к методам обеззараживания воды, а не самодостаточным способом очистки сточных и питьевых вод [16-20].

Для проведения исследований по УФО и УЗО сточных вод, была использована экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 1. С помощью насоса (1) установка обеспечивала циркуляцию исследуемой воды в системе: вода из контейнера (2) поступала в ультразвуковую ванну (3), затем подвергалась УФО коаксиальными KrCl (4) и XeBr (5) эксилампами барьерного разряда, и далее возвращалась в контейнер (2). Скорость прокачки жидкости через систему могла варьироваться от 0.5 до 2.5 л/мин.

На рис. 2 дано поперечное сечение эксилампы. Облучаемая жидкость в этом случае протекает через кварцевую трубку, размещенную в полости 6. В ходе опытов KrCl- и XeBr- эксилампы обеспечивали энергетическую освещенность на внутренней поверхности кварцевой трубки Eвн = 23 и 31 мВт/см2, соответственно. Рабочий диаметр трубки составлял dраб. = 0.79 см. Длина рабочей области одной эксилампы, в которой происходит облучение, составляла l = 12.8 см. Соответственно, рабочий объем одной эксилампы Vраб = 6.27 см3, а общий объем системы составлял 2500 см3. На основе этих данных были рассчитаны основные параметры УФО эксиламп на воду (табл. 1).

Для обработки ультразвуковыми колебаниями применялась ванна Elmasonic S 10H, позволяющая оптимально распределять звуковое поле внутри объёма с жидкостью. Ванна имела глубину, ширину и длину 5.8, 8.5 и 19 см, соответственно, и объём Vуз ~ 932 см3. Пиковая мощность ультразвука в ней составляет 240 Вт, при частоте колебаний f = 37 кГц [21]. Толщина слоя жидкости для УЗО составляла 0.5 см.

Рисунок 1. Блок-схема установки для обеззараживания воды: 1 – насос; 2 – контейнер с исследуемой водой; 3 – ультразвуковая ванна; 4 – KrCl-эксилампа; 5 – XeBr-эксилампа; 6 – стеклянная трубка; 7 – тракты для циркуляции воды через установку

Рисунок 2. Поперечное сечение коаксиальной эксилампы барьерного разряда: 1, 2 – кварцевые трубки, образующие внешнюю и внутреннюю стенки эксилампы; 3 – внешний отражающий электрод; 4 – зона разряда между кварцевыми трубками; 5 – внутренний полупрозрачный электрод; 6 – внутренняя полость для облучения. Белыми стрелками обозначено направление, в котором концентрируется излучение

Таблица 1 – Параметры УФО эксиламп

Показатель XeBr-эксилампа KrCl-эксилампа
Энергетическая светимость эксилампы, Eвн. 31 мВт/см2 23 мВт/см2
Энергетическая освещенность воды, Еs 76.6 мВт/см2 56,8 мВт/см2
Время прохождения жидкости через рабочий объём эксилампы, tраб »0.188 с »0,188 с
Поверхностная доза облучения воды по длине рабочей области, Ds раб 144.13 Дж/м2 106.87 Дж/м2
Суммарная поверхностная доза облучения воды по длине рабочей области, DsS раб. 251 Дж/м2
Время воздействия, t 80 мин
Производительность насоса 2 000 см3/мин

Вода для исследований была взята на очистных сооружениях п. Аэропорт, Томская область, Томский район, Мирненское сельское поселение. Для первичных исследований было взято две меры воды по 1 л, а впоследствии – четыре меры воды по 15 л в каждой.

Взятые меры проходили обработку в трёх режимах: 1) УФО с помощью обоих эксиламп; 2) УЗО; 3) совмещение режима 2 и 1. Время обработки составляло во всех опытах 80 минут. В каждой серии опытов одна мера сточной воды оставалась контрольной, обработке не подвергалась и использовалась для сравнения.

Обработанную воду исследовали на соответствие СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» [22] при использовании метода исследования МУК 4.2.1884-04 «Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов» [23] в Бактериологической лаборатории Центра гигиены и эпидемиологии в Томской области.

Результаты и обсуждение

Эксперименты по УФО и УЗО были проведены дважды. В первой серии экспериментов было проведено УФО воды, объемом 1 л. Во второй серии объемом был увеличен воды до 15 л, и дополнительно проводилось УЗО. Результаты обработки собраны в табл. 2.

Таблица 2 – Результаты экспериментов

Дата Объем воды [л] Вариант воздействия Содержание КОЕ ОКБ [шт/100 мл] Содержание КОЕ ТКБ [шт/100 мл] Примечание
12.10.2015 1 1 Контроль 1.50E+05 5.00E+04
12.10.2015 2 1 KrCl + XeBr 2.00E+04 3.00E+03
18.12.2015 1 15 Контроль 2.50E+06 Proteus
18.12.2015 2 15 KrCl + XeBr 4.00E+05
18.12.2015 3 15 Ультразвук 3.50E+06 Proteus
18.12.2015 4 15 KrCl + XeBr + ультразвук 1.50E+06

По табл. 2 видно, что наибольший эффект обеззараживания достигается в режиме одновременной работы KrCl- и XeBr-эксиламп. В этом случае содержание как общих колиморфных бактерий, так и термотолерантных колиморфных бактерий уменьшается в среднем в 10 раз. Это происходит в виду того, что спектры излучения эксимерных ламп лежат в бактерицидном диапазоне длин волн.

При одновременной УФО и УЗО концентрация КОЕ ОКБ уменьшается незначительно. А применение только УЗО оказалось стимулирующим рост колиморфных бактерий. Данный эффект можно объяснить тем, что УЗО измельчает содержащиеся в воде крупные фракции органических веществ, обеспечивая лучший доступ к ним бактериальных культур и облегчая их питание. Вероятно, чтобы перейти к инактивации микроорганизмов, необходимо увеличивать дозу УЗО. Тем не менее сам найденный эффект интересен как фактор, который следует учитывать при проектировании маломощных установок по очистке воды и/или при обработке вод, содержащих крупные фракции органических веществ.

Дополнительно было исследовано влияние УФО и УЗО на бактерии рода Proteus. Протей (Proteus) – грамотрицательная бактерия, неспособная образовывать споры и окрашиваться по Граму, имеющая вид нитевидных палочек размером около 0.3 × 3 мкм. Данная разновидность кишечных бактерий характеризуется высокой активностью и подвижностью, а также способностью выделять токсины и высокой резистентностью к антибиотикам. Она является биоиндикатором фекального загрязнения и загрязнения органическими веществами [24]. Эта группа бактерий была обнаружена в контрольных мерах воды. Экспериментально выявлено, что УФО полностью уничтожает Proteus. После УЗО, напротив, эта разновидность бактерий сохранялась.

Полученные данные подтверждают данных других экспериментов [25-26], в которых было показано, что к ультразвуковой обработке сточных вод следует относиться с осторожностью. Условия её оптимального применения требуют дополнительных исследований. С другой стороны, ультрафиолетовое излучение в условиях реальных сточных вод также не даёт необходимой (согласно нормам СанПиН) степени инактивации. Всё это свидетельствует о необходимости новых исследований, нацеленных на получение действенной методики инактивации сточных вод и определения пределов её применимости.

Выводы

Проведены сравнительные исследования инактивации микроорганизмов в сточных водах ультрафиолетовым излучением узкополосных эксиламп и ультразвуком. Показано, что излучение XeBr- и KrCl-эксиламп обладает наибольшим инактивирующим действием. Использование ультразвука, напротив, приводит к росту количества патогенных микроорганизмов. По отношению к бактериям рода Proteus выявлена эффективность ультрафиолетового облучения эксилампами и неэффективность ультразвуковой обработки.

Авторы благодарят бактериологическую лабораторию Центра гигиены и эпидемиологии Томской области за помощь в оценке результатов экспериментов и С.М. Авдеева за помощь в изготовлении эксиламп.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института сильноточной электроники СО РАН по теме №13.1.3, а также внутреннего гранта института. Авторы выражают свою благодарность администрации в лице директора института Н.А. Ратахина и зам. директора по научной работе И.Ю. Турчановского за идейную и организационную поддержку работы.


Библиографический список
  1. Мелехина О. В. Ультрафиолет и обеззараживание сточных вод / О. В Мелехина., Е.Э. Рогозина // Наука, образование, общество: тенденции и перспективы: Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 1 августа 2014 г. – Москва, 2014. – Ч. 2. – С. 116–117.
  2. Селезнев В. А. Водоснабжение из эвтрофированных источников (проблемы и пути решения) / В. А. Селезнев, А. В. Селезнева, К.В. Беспалова // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. – 2014. – № 6(78). – С. 66–70.
  3. Курдюмов В. И. Лабораторные исследования процесса обработки воды ультрафиолетовым излучением / В. И. Курдюмов, П. С. Твердунов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. – 2013. – № 1 (21). – С. 149-154.
  4. Ультрафиолетовое излучение [Электронный ресурс] // Википедия: свободная энцикл. – Электрон. дан. – [Б. м.], 2016. – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Ультрафиолетовое_излучение (дата обращения: 21.01.2016).
  5. Методические указания «Применение ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздушной среды помещений организаций пищевой промышленности, общественного питания и торговли продовольственными товарами» МУ 2.3.975-00 (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 19.05.00).
  6. ГОСТ Р 53074-2008. Лампы ртутные высокого давления. Эксплуатационные требования. – М.: Стандартинформ, 2009. – 15 с.
  7. Новые направления в научных исследованиях и применении эксиламп / С.В. Автаева [и др.]. – Томск : STT, 2013. – 246 с.
  8. Методические указания по внедрению и применению санитарных правил и норм СанПиН 2.1.4.559-96 “Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества”. МУ 2.1.4.682-97 (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 20.12.1997).
  9. Пашин В. А. Ультрафиолетовое излучение для обработки сточных вод / В. А. Пашин, А. В. Павлов, М. А. Коваленко // Мир транспорта. – 2013. – Т. 11, № 1(45). – С. 136–143.
  10. Sewage ultraviolet disinfection device: патент CN203360049 U; заявл. 24.05.2013; опубл. 25.12.2013.
  11. Іванько О. М. Знезараження стічних вод — сучасний погляд на проблему / О. М. Іванько, В. В. Бабієнко, Г. В. Кримець // Актуальные проблемы транспортной медицины. – 2013. – Т. 1, № 2(32). – С. 054–063.
  12. Wastewater re-use using UV disinfection [Электронный ресурс] // Sustainability Matters. – Электрон. дан. – [Б. м.], 2016. – URL: http://www.sustainabilitymatters.net.au/content/wastewater/article/wastewater-re-use-using-uv-disinfection-745570751 (дата обращения: 27.01.2016).
  13. Повышение эффективности обеззараживания сточных вод / В. П. Фоканов [и др.]. // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. – 2015. – № 5(89). – С. 56-58.
  14. Обеззараживание ультрафиолетовым излучением / С. В. Волков [и др.]. // Водоснабжение и канализация. – 2013. № 1-2. – С. 63-70.
  15. EU Directive on Eco-Design / Staged phase-out [Электронный ресурс] // OSRAM. – Электрон. дан. – [Б. м.], 2016. – URL: http://www.osram.com/osram_com/Professionals/General_Lighting/EU_Directive_on_EcoDesign/Staged_phase-out/index.html (дата обращения: 26.01.2016).
  16. Василяк Л. М. Возможности использования ультразвука для обеззараживания воды / Л. М. Василяк, А. Д. Смирнов // Водоснабжение и санитарная техника. – 2014. – № 9. – С. 49–56.
  17. Астахова С. А. Обеззараживание воды высокочастотным ультразвуком в присутствии пероксида водорода // Вестник бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. – 2013. – № 3(32). – С. 71-74.
  18. Phenolic wastewater treatment system: патент CN203159386 U; заявл. 18.01.2013; опубл. 28.08.2013.
  19. Масалкова Ю. Ю. Особенности воздействия ультразвука на яйца toxocara canis // Российский паразитологический журнал. – 2014. – Вып. 1. – С. 52–56.
  20. Membrane cleaning and sewage disinfection integrated device: патент CN203694925 U; заявл. 12.01.2014; опубл. 09.07.2014.
  21. Ультразвуковые мойки ELMA Elmasonic [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – [Б. м.], 2016. – URL: http://www.elmaultrasonic.ru/ (дата обращения: 19.01.2016).
  22. СанПиН 2.1.5.980-00 Гигиенические требования к охране поверхностных вод. – М. : Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000. – 10 с.
  23. Методические указания «Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов» МУК 4.2.1884-04 (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 03.03.2004).
  24. PROTEUS [Электронный ресурс] // БМЭ – 3-е изд. – 2016. – URL: http://бмэ.орг/index.php/PROTEUS (дата обращения: 29.01.2016).
  25. Ультрафиолет + ультразвук — в поисках чуда, либо всего лишь маркетинговый ход? / Л. М. Василяк [и др.]. // Водоснабжение и канализация. – 2011. – № 1-2. – С. 43–46.
  26. Астахова С. А. Обеззараживание воды высокочастотным ультразвуком // Вестник ВСГУТУ. – 2013. – № 4(43). – С. 164–167.


Все статьи автора «Гольцова Полина Андреевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация